一種無壓燒結(jié)制備高純六方氮化硼陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無壓燒結(jié)制備高純六方氮化硼陶瓷的方法，其具體步驟為：以商業(yè)六方氮化硼粉為原料，將其裝入不銹鋼模具內(nèi)，采用雙向加壓的方式冷壓成型，再放入冷等靜壓機中成型；燒結(jié)過程分為兩段，先在馬弗爐中空氣氣氛下預(yù)燒，再在通有氮氣的熱壓爐內(nèi)進行無壓燒結(jié)，制備得到高純六方氮化硼陶瓷。本發(fā)明可在無壓燒結(jié)工藝條件下制備出高純六方氮化硼陶瓷，其具有耐高溫性好、導(dǎo)熱性好、抗熱震性好、易加工成復(fù)雜形狀部件等特點，并且制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】一種無壓燒結(jié)制備高純六方氮化硼陶瓷的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氮化硼陶瓷的制備方法，具體為一種低成本無壓燒結(jié)制備高純六 方氮化硼陶瓷的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 六方氮化硼（h-BN)是一種具有良好綜合性能的先進陶瓷。h-BN屬于六方晶系， 具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，其空間群為P63/mmc，單胞晶格常數(shù)a = 0· 251nm，c = 0· 670nm， 理論密度為2. 27g/cm3。其層內(nèi)由B原子和N原子交替排列組成無限延伸的六角網(wǎng)格，層間 則按ABAB...方式交替排列，因此在層內(nèi)存在很強的B-N共價鍵，而層與層之間則靠較弱的 范德華力相結(jié)合。晶體結(jié)構(gòu)沿C軸方向強度低、間距大，兩層之間易于滑動，使h-BN成為良 好的固體潤滑劑。另外h-BN是一種軟性材料，其莫氏硬度為2,有著良好的可加工性能，它 可以像石墨一樣易車、銑、刨、鉆、磨、切，并且由于h-BN比石墨更加致密，故加工精度更高， 可以達到0. 01_，其可以加工成薄片和螺旋體及各種形狀復(fù)雜的零件。它耐高溫，抗氧化， 耐摩擦，是新一代高性能航空制動系統(tǒng)摩擦材料的理想候選材料；它耐腐蝕、穩(wěn)定性好，且 具有良好的高溫介電和透波性能，代表了新型高馬赫導(dǎo)彈透波材料的發(fā)展方向；它與多種 物質(zhì)之間具有良好的化學(xué)相容性且具有適中的剪切強度，是目前陶瓷基復(fù)合材料中可選擇 的理想的界面相控制材料。雖然六方氮化硼具有如此優(yōu)良的性能及巨大的應(yīng)用潛力，但是 h-BN是一種共價鍵化合物，其在高溫下的自擴散系數(shù)低，故其燒結(jié)性能很差。目前國內(nèi)外 的h-BN陶瓷主要是通過熱壓燒結(jié)法制備的，并且通過加入燒結(jié)助劑來促進h-BN燒結(jié)。但 熱壓燒結(jié)設(shè)備復(fù)雜、能耗大、生產(chǎn)效率低，無法進行大規(guī)?；纳a(chǎn)且不能制備形狀復(fù)雜的 部件。燒結(jié)助劑的加入會降低h-BN陶瓷的一些性能比如耐高溫、熱導(dǎo)率、抗熱震和介電等 性能，不利于其在高溫下的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于為了改進現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種無壓燒結(jié)制備高純六方 氮化硼陶瓷的方法。該方法具有工藝簡單、操作方便和成本較低的特點，適合于工業(yè)化生 產(chǎn)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種無壓燒結(jié)制備高純六方氮化硼陶瓷的方法，其具體 步驟為：以六方氮化硼粉為原料，將其裝入不銹鋼模具內(nèi)，采用雙向加壓的方式冷壓成 型，再放入冷等靜壓機中成型；然后先在馬弗爐中、空氣氣氛下預(yù)燒，預(yù)燒溫度為480°C? 680°C，保溫時間為0. 5-1. 5h，再在通有氮氣的熱壓爐內(nèi)進行無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2000? 2200°C，保溫時間為1. 5-2. 5h，制備得到高純六方氮化硼陶瓷。
[0005] 優(yōu)選上述的六方氮化硼粉的粒度范圍為100_500nm，純度> 99%; -般商業(yè)的六方 氮化硼粉即符合要求。
[0006] 優(yōu)選冷壓成型時采用雙向加壓，且施加壓力為5?40MPa，保壓時間10?30s。冷 等靜壓成型的壓力為160?300MPa，保壓時間15?30s。
[0007] 本發(fā)明的燒結(jié)過程分為兩段，先在馬弗爐中空氣氣氛下預(yù)燒，然后再在氮氣的熱 壓爐內(nèi)進行無壓燒結(jié)，優(yōu)選熱壓爐內(nèi)進行無壓燒結(jié)時的升溫速率為5?10°C /分鐘。
[0008] 有益效果：
[0009] ①本發(fā)明采用無壓燒結(jié)制備高純六方氮化硼陶瓷，制備工藝簡單，生產(chǎn)成本較低， 適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0010] ②采用本發(fā)明的方法可以制備出形狀復(fù)雜、大尺寸的六方氮化硼陶瓷及其制品。
[0011] ③采用本發(fā)明制備的高純六方氮化硼陶瓷性能優(yōu)異，具有耐高溫性好、熱導(dǎo)率高 (31. 76?38. 7WAm · k))、抗熱震性好（800°C以下）等特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為實施例1和3所制備的h-BN陶瓷的X射線衍射譜；其中（a)為實施例1， (b)為實施例3 ;
[0013] 圖2為實施例1所制備的h-BN陶瓷斷口形貌（掃描電鏡二次電子像）；
[0014] 圖3為實施例3所制備的h-BN陶瓷斷口形貌（掃描電鏡二次電子像）；
[0015] 圖4為實施例1燒結(jié)后并加工成一定形狀的h-BN陶瓷制品。

【具體實施方式】
[0016] 下面通過實例詳述本發(fā)明。
[0017] 實施例1
[0018] 稱量粒度范圍為100-500nm，平均粒度為350nm、純度> 99%的商業(yè)h-BN粉135g， 將h-BN粉置于直徑為60mm的圓型不銹鋼模具內(nèi)，在5MPa壓力下采用雙向加壓的方式進 行冷壓成型，保壓時間為30s，把成型好的h-BN圓柱體采用塑料袋進行真空封裝，再放入冷 等靜壓機內(nèi)，在200MPa的壓力下保壓30s，把冷等靜壓后的h-BN圓柱體放入馬弗爐中，在 580°C下保溫lh進行預(yù)燒，預(yù)燒完后移入通有氮氣的熱壓燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，升溫速 率為7°C /分鐘，燒結(jié)溫度為2100°C，保溫時間為2h。
[0019] 用阿基米德法測得h-BN陶瓷的密度為1. 27g/cm3,為理論密度的56%。經(jīng)X射 線衍射分析全為h-BN相（圖1 (a))，無其他雜質(zhì)相，說明制備的h-BN陶瓷純度很高。通過 觀察h-BN陶瓷斷口形貌（圖2)，我們可以看出h-BN晶粒經(jīng)過燒結(jié)后都明顯長大，其呈片 狀分布，交叉堆疊，在一定程度上形成卡片房式結(jié)構(gòu)，h-BN片之間的相互作用，阻礙了其定 向排列。測定h-BN陶瓷在10GH頻率下的介電常數(shù)為4. 2,介電損耗為0. 0015。測定h-BN 陶瓷的熱導(dǎo)率為31. 76WAm · k)，比熱容為0. 83X/(g. k)，維氏硬度為0. 08GPa，斷裂韌性為 0. 69MPa · m1/2,室溫彈性模量為31. 6GPa，室溫三點彎曲強度為30. 7MPa，1600°C氮氣氣氛下 彎曲強度為50. 72MPa，幾乎是其室溫彎曲強度的2倍，說明其力學(xué)性能可保持到很高的溫 度。在熱震溫差為800°C時，h-BN陶瓷的熱震后殘余彎曲強度為22. 6MPa，為原始室溫彎曲 強度的73. 6%，說明此工藝制備的h-BN陶瓷在熱震溫差800°C以下，其抗熱震性能良好。利 用機械車床可將燒結(jié)的h-BN陶瓷加工成管狀和片狀產(chǎn)品（圖4)，可見制備的h-BN陶瓷具 有很好的加工性能，可以加工成不同復(fù)雜形狀的h-BN陶瓷制品。
[0020] 實施例2
[0021] 稱量粒度范圍為100-500nm，平均粒度為300nm、純度> 99%的商業(yè)h-BN粉135g， 將h-BN粉置于直徑為60mm的圓型不銹鋼模具內(nèi)在lOMPa壓力下采用雙向加壓的方式進 行冷壓成型，保壓時間為l〇s，把成型好的h-BN圓柱體采用塑料袋進行真空封裝，再放入冷 等靜壓機內(nèi)，在300MPa的壓力下保壓30s，把冷等靜壓后的h-BN圓柱體放入馬弗爐中，在 480°C下保溫1. 5h進行預(yù)燒，，預(yù)燒完后移入通有氮氣的熱壓燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，升溫 速率為7°C /分鐘，燒結(jié)溫度為2200°C，保溫時間為1. 5h。
[0022] 用阿基米德法測得h-BN陶瓷的密度為1. 34g/cm3,為理論密度的59. 03%。測 定h-BN陶瓷的熱導(dǎo)率為38. 7WAm · k)，斷裂韌性為0. 96MPa · m1/2,室溫三點彎曲強度為 59. 7MPa。在熱震溫差為800°C時，h-BN陶瓷的熱震后殘余彎曲強度為49MPa，為原始室溫 彎曲強度的82. 1 %，說明此工藝制備的h-BN陶瓷在熱震溫差800°C以下，其抗熱震性能良 好。
[0023] 實施例3
[0024] 稱量粒度范圍為100-500nm，平均粒度為370nm、純度> 99%的商業(yè)h-BN粉135g， 將h-BN粉置于直徑為60mm的圓型不銹鋼模具內(nèi)，在36MPa壓力下采用雙向加壓的方式進 行冷壓成型，保壓時間為30s，把成型好的h-BN圓柱體采用塑料袋進行真空封裝，再放入 冷等靜壓機內(nèi)，在300MPa壓力下保壓20s，把冷等靜壓后的h-BN圓柱體放入馬弗爐中，在 680°C下保溫0. 5h進行預(yù)燒，預(yù)燒完后移入通有氮氣的熱壓燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，升溫 速率為10°C /分鐘，燒結(jié)溫度為2150°C，保溫時間為2h。
[0025] 用阿基米德法測得h-BN陶瓷的密度為1. 31g/cm3,為理論密度的58%。經(jīng)X射線 衍射分析全為h-BN相（圖1(b))，無其他雜質(zhì)相，說明此工藝制備的h-BN陶瓷純度很高。 h-BN陶瓷掃描電鏡斷口形貌（圖3)觀察表明，h-BN晶粒在一定程度上形成卡片房式結(jié)構(gòu)， h-BN片之間的相互作用，阻礙了其定向排列。測定h-BN陶瓷的熱導(dǎo)率為35. 9WAm ·!〇,斷 裂韌性為0. 87MPa · m1/2,室溫三點室溫彎曲強度為49. 8MPa。在熱震溫差為800°C時，h-BN 陶瓷的熱震后殘余彎曲強度為40. 5MPa，為原始室溫彎曲強度的81. 3%，說明此工藝制備 的h-BN陶瓷在熱震溫差800°C以下，其抗熱震性能良好。
[0026] 實施例4
[0027] 稱量粒度范圍為100-500nm，平均粒度為380nm、純度> 99%的商業(yè)h-BN粉135g， 將h-BN粉置于直徑為60mm的圓型不銹鋼模具內(nèi)，在lOMPa壓力下采用雙向加壓的方式進 行冷壓成型，保壓時間為20s，把成型好的h-BN圓柱體采用塑料袋進行真空封裝，再放入 冷等靜壓機內(nèi)，在160MPa壓力下保壓15s，把冷等靜壓后的h-BN圓柱體放入馬弗爐中，在 580°C下保溫lh進行預(yù)燒，預(yù)燒完后移入通有氮氣的熱壓燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，升溫速 率為5°C /分鐘，燒結(jié)溫度為2050°C，保溫時間為2. 5h。
[0028] 用阿基米德法測得h-BN陶瓷的密度為1. 29g/cm3,為理論密度的56. 8%。測 定h-BN陶瓷的熱導(dǎo)率為32. 5WAm · k)，斷裂韌性為0. 79MPa · m1/2,室溫三點彎曲強度為 45. 9MPa。在熱震溫差為800°C時，h-BN陶瓷的熱震后殘余彎曲強度為35. 6MPa，為原始室 溫彎曲強度的77. 5%，說明此工藝制備的h-BN陶瓷在熱震溫差800°C以下，其抗熱震性能 良好。
[0029] 由實施例可見，本發(fā)明制備的h-BN陶瓷具有純度高、耐高溫性好、導(dǎo)熱性好、抗熱 震性好、易加工成復(fù)雜形狀部件等特點，并且其制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低，適合工業(yè)化生 產(chǎn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種無壓燒結(jié)制備高純六方氮化硼陶瓷的方法，其具體步驟為：以六方氮化硼粉為 原料，將其裝入不銹鋼模具內(nèi)，采用雙向加壓的方式冷壓成型，再放入冷等靜壓機中成型； 然后先在馬弗爐中、空氣氣氛下預(yù)燒，預(yù)燒溫度為480°c?680°C，保溫時間為0. 5-1. 5h，再 在通有氮氣的熱壓爐內(nèi)進行無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2000?2200°C，保溫時間為1. 5-2. 5h， 制備得到高純六方氮化硼陶瓷。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的六方氮化硼粉的粒度范圍為 100-500nm ;六方氮化硼粉的純度> 99%。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：冷壓成型時采用雙向加壓，且施加壓力為 5?40MPa，保壓時間10?30s。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：冷等靜壓成型的壓力為160?300MPa，保 壓時間15?30s。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：熱壓爐內(nèi)進行無壓燒結(jié)時的升溫速率為 5?10°C /分鐘。
【文檔編號】C04B35/64GK104193341SQ201410422994
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】王太保, 胡春峰, 楊建 , 金燦燦, 丘泰 申請人:南京工業(yè)大學(xué)